Jakelumuuntajien kunnonvalvonnasta vastaavat verkkoyhtiöt (Ylikulju 2009). Tekemällä mittauksia ja analyysejä voidaan varmistaa muuntajan luotettava toiminta ja ajoittaa niille tehtävät huollot. Kunnonvalvontamenetelmiä hyväksi käyttäen voidaan parantaa jakelu-muuntajan kustannustehokkuutta. Tässä luvussa käydään läpi muuntajille soveltuvia kun-nonvalvontamenetelmiä.
3.1 Öljyanalyysi
Öljyanalyysi on huollon yhteydessä tehtävä kunnonvalvontamenetelmä. Öljyanalyysi teh-dään laboratoriossa, mutta liuenneita kaasuja ja läpilyöntilujuutta voidaan tutkia myös ken-tällä. Kaasujen tutkimiseen on olemassa myös jatkuvatoiminen analysaattori, jonka käyttä-minen ei vaadi työntekijää enää asennuksen jälkeen. Laboratoriossa tehtävässä analyysissä tutkitaan ainakin kaasut ja läpilyöntilujuus. Näiden lisäksi öljyanalyysin pohjalta voidaan tutkia myös muuntajan kosteutta, häviökulman tan , rajapintajännitys, roskapitoisuus, neut-raloimisluku ja inhibittipitoisuus. (Puranen 2012; Megger 2019)
Vikakaasut kertovat muuntajan vioittumisesta. Öljyanalyysillä vika voidaan havaita jo ennen suojalaitteiden reagointia. Diagnosoimalla kaasuja voidaan päätellä vikatyyppi. Nopeasti ke-hittyvän vian myötä ylimääräinen kaasu nousee muuntajassa kuplien ylöspäin, kun se ei ehdi liueta kokonaan öljyyn. Näissä tapauksissa kaasurele lähtee toimimaan. Näin säästytään pi-demmiltä käyttökatkoilta ja muuntajan huolto voidaan ajoittaa järkevästi. (Puranen 2012) Öljyanalyysista saatavalla läpilyöntijännitteellä tarkoitetaan öljyn sähköistä eristyskykyä, joka vaikuttaa muuntajan kestoisuuteen. Muuntajaöljyn ollessa heikkolaatuista voi oikosulut tehdä isoja vahinkoja muuntajalle. Läpilyöntilujuuden määrittämisellä voidaan siis varmis-tua siitä, että muuntaja kestää vikatilanteita. Kuvasta 3.1 nähdään puhtaan öljyn ja läpilyön-tilujuuden yhteys.
Kuva 3.1: Puhtaan ja likaisen öljyn läpilyöntilujuus vesipitoisuuden funktiona.
Muuntajan ikääntymisessä tapahtuvien kosteusvaurioiden vaikutus korostuu öljyn ollessa likaista. Kuvasta 3.1 nähdään kuinka huomattavasti öljyn puhtaus vaikuttaa läpilyöntilu-juuteen.
3.2 Käämityksen resistanssin mittaus
Käämien resistanssit mitataan tasajännitettä käyttäen vaihe kerrallaan. Virran kulkiessa kää-mien läpi muodostuu jännitehäviöitä. Kääkää-mien yliolevien jännitteiden ja niiden läpi kulke-van virran avulla saadaan laskettua käämien resistanssit. Kun tunnetaan mittalaitteiden si-säiset resistanssit, saadaan tarkat arvot. Tyypillinen testivirta on 0,5-10% nimellisvirrasta.
Liian pienellä virralla tulos ei ole johdonmukainen. (Huurinainen 2006; Megger 2019) Resistanssin mittauksella voidaan tarkistaa suunnittelu, huomata huonot kontaktit esim. kää-min ja läpivientieristimen välillä, huomata käämikierrosten muutos sekä laskea muuntajan lämpötila käytössä (Megger 2019). Liian korkea lämpötila ikäännyttää muuntajaa. Käämi-kierrosten määrä vaikuttaa sen sijaan muuntajan muuntosuhteeseen. Väärällä muuntosuh-teella varustettu jakelumuuntaja syöttää pienjänniteverkkoon joko liian isoa tai pientä jänni-tettä. Mittaamalla resistanssit voidaan varmistua siitä, että se toimii sille tarkoitetulla tavalla hajoamatta ennenaikaisesti.
Käämitysten resistanssien poikkeama vaiheessa saa olla maksimissaan 1% (Megger 2019).
Poikkeama saadaan selville laskemalla ensin jokaisen vaiheen virheet yhtälön (3.1) avulla ja sitten isoimman vaihevirheen suhde keskiarvoresistanssiin yhtälön (3.2) avulla
𝑃ℎ𝑛 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = |𝑅ph,𝑛
𝑅avg|, (3.1)
jossa Rph,n vaiheen n resistanssi ja Ravg on kaikista mittauksista laskettu keskiarvoresistanssi.
(Megger 2019) ja
𝑅𝑑% = 𝑃ℎ𝑚𝑎𝑥 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟
𝑅𝑎𝑣𝑔 ∗ 100 %, (3.2)
jossa Phmax error on suurin vaihevirhe ja Ravg on kaikista mittauksista laskettu keskiarvo-resistanssi.(Megger 2019)
Käämitysten resistanssin vaihtelu eri vaiheiden välillä on määritetty kansainvälisillä stan-dardeilla (IEEE, CIGRE). Käämityksen resistanssi saa vaihdella maksimissaan 2 %. Vaih-telu lasketaan yhtälöllä (3.3)
𝑅𝑣%= 𝑅max−𝑅min
𝑅avg ∗ 100 %, (3.3)
jossa Rmax on suurin mitattu resistanssi, Rmin on pienin mitattu resistanssi ja Ravg on kaikista mittauksista laskettu keskiarvoresistanssi. Resistanssi riippuu käämien lämpötilasta, joten laskuissa voidaan käyttää korjauskerrointa. Resistanssi saadaan muutettua haluttuun lämpö-tilaan yhtälöllä (3.4) (Megger 2019)
𝑅final= 𝑅initial(1+∝ (𝑇final− 𝑇initial)), (3.4) jossa Rinitial on mitattu resistanssi, ∝ on 0,39 % per Celsius (C), Tfinal on lämpötila, johon arvo halutaan muuttaa ja Tinitial on mittausolosuhteiden lämpötila. (Megger 2019)
Tarkennettuna: Kun otetaan mittaukset kaikista vaiheista suurimman ja pienimmän mittaus-tuloksen ero saa olla mittausten keskiarvoon maksimissaan 2 %, mutta samaisen vaiheen mittausten ero saa olla mittausten keskiarvoon vain maksimissaan 1 % läpäistäkseen stan-dardit. Eli toisessa mittauksessa otetaan huomioon mittaustulokset kokonaisuutena, kun taas toisessa mittauksessa tarkastellaan vaiheita erikseen.
Tähteen kytketyllä muuntajan alajännitepuolella voi kestää kauan ennen kuin se stabiloituu.
Mittaaminen voidaan tehdä myös jatkuvalla testivirran syötöllä yläjännitepuolelle sekä ala-jännitepuolelle, joka nopeuttaa mittausprosessia. Muuntajan demagnetoimiseen voidaan myös käyttää adaptiivista demagnetisointia, joka nopeuttaa mittauksen jälkeistä demagneti-sointia. (Megger 2019)
3.3 Muuntosuhdemittaus
Muuntosuhdemittauksia voidaan tehdä, jotta varmistutaan suunnittelusta, huollon jälkeisistä vaikutuksista, tarkistetaan nykyinen tila tai otetaan selvää hajoamisen syystä. Muuntosuhde-mittaus tehdään tarkastelemalla vaihe kerrallaan. Muuntosuhde saadaan mitattua, kun syö-tetään testijännitettä yläjännitepuolelle. Testi suoritetaan mittaamalla ensin kondensaattorin varaus. Tämän jälkeen mitataan kondensaattori sarjassa käämien kanssa. Näiden suhteesta saadaan muuntosuhde. (Megger 2019 ; Voltech 2020)
Kuva 3.2: Kolmivaiheisen muuntajan muuntosuhdemittaus. Kuvassa mitataan ensimmäisen vaiheen muunto-suhdetta. (Megger 2019)
Mittauksella saadaan tarkistettua muuntosuhde, varmistutaan myös väliottokytkimen ja yh-teyksien toiminnasta. Huonot testitulokset johtuvat vääristä käämikierrossuhteista, eristeen toimimattomuudesta tai väliottokytkimen vioista. Tulokset saadaan vertaamalla mitattuja ar-voja nimellisarvoihin. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers):n ja IEC (In-ternational Electrotechnical Comission):n stardardien mukaan toleranssi saa olla maksimis-saan 0,5 % kaikilla mitatuilla suureilla. (Megger 2019)
3.4 Muuntajan eristyksen mittaus
Muuntajan eristystä voidaan mitata oikosulkuimpedanssitestillä sekä taajuusvastemittauk-sella. Oikosulkuimpedanssitestissä mitataan vaiheen impedanssi, ja lasketaan resistanssin ja reaktanssin osuudet. Oikosulku tehdään mittauksessa pienemmälle jännitepuolelle. Taajuus-vastemittaus tehdään samalla tavalla kuin oikosulkuimpedanssi, mutta tutkitaan eri taajuuk-silla resistanssin muutosta. Resistanssi kasvaa taajuutta kasvatettaessa, ja tulokset ovatkin helpommin luettavissa suurilla taajuuksilla. (Megger 2019)
Mittauksilla nähdään oikosulut käämien käämikierrosten välillä ja saadaan selville pyörre-virtahäviöt. Mittauksia toistamalla ja niihin reagoimalla saadaan pidettyä häviöt minimissä ja näin ollen pysyy hyötysuhde hyvänä. Tuloksia verrataan nimellisarvoihin ja vaiheita kes-kenään. (Megger 2019 ; IEEE 2020)
3.5 Kosteus muuntajassa
Muuntajan kosteus ilmenee paperieristeessä ja öljyssä. Suurin osa kosteudesta imeytyy kui-tenkin paperieristeeseen. Kosteus vaikuttaa latauksen kapasiteettiin, paperieristeen kestä-vyyteen ja muuntajan ikääntymiseen. (Huurinainen 2006)
Muuntajan kosteutta voidaan tutkia suoralla tai epäsuorilla metodeilla. Suora metodi tarkoit-taa paperinäytteen ottamista muuntajasta. Suoraa metodia käytettäessä on tärkeää ottarkoit-taa pa-perinäytteitä useammasta paikasta, sillä kosteus voi vaihdella eri puolilla muuntajaa. Epä-suoria metodeita ovat furfuraalianalyysi eli öljyanalyysin yhteydessä tehtävä paperieristyk-sen kosteusanalyysi, tan delta- eli tehohäviökerroinmittausmenetelmä/tehokerroinmittaus ja eristysvastemittaus. Furfuraalianalyysissä paperiseristyksen kosteus päätellään
tasapai-nodiagrammeilla. Tan delta -/tehokerroinmittauksessa muutetaan saadut tan delta -/tehoker-roinarvot referenssilämpötilaan 20 ℃. Eristevasteen mittaus voidaan tehdä joko tasajännit-teellä tai vaihtojännittasajännit-teellä. Tasajännittasajännit-teellä tehdyssä eristysvastusmittauksessa mitataan jännitevaste eli jännitettä ajan suhteen sekä polarisaatio – depolarisaatio. Vaihtojännitteellä mitattaessa verrataan kapasitanssia ja häviökerrointa taajuuteen. (Megger 2019)
Furfuraalianalyysiin liittyy paljon epävarmuutta. Näytteenotto, näytteen kuljetus, laborato-riotulosten variaatiot ja standardidiagrammien yhteensopivuus ikääntyneen öljyn ja pape-rieristyksen kanssa aiheuttavat epävarmuuden. Kuvassa 3.3 on havainnollistettu öljyyn imeytyneen veden suhdetta paperieristeeseen imeytyneen veden määrään. Kuvasta nähdään, että kun furfuraalianalyysin näyte on otettu pienessä lämpötilassa, on vaikea arvioida pape-rieristeen kosteutta. (Megger 2019)
Kuva 3.3: Lämpötilan merkitys kosteusmittauksissa, ja kosteuden suhde paperieristeen ja öljyn välillä. (Meg-ger 2019)
Eristysvastemittauksista vaihtojännitteellä tehty mittaus on tasajännitteellä tehtyä mittausta varmempi, koska taajuutta voidaan säädellä. Tasajännitteellä tehty eristysvastemittaus on kuitenkin vaihtojännitettä käyttävää tapaa nopeampi. Tan delta -/tehokerroinmittauksessa epävarmuuden aiheuttavat lämpötilankorjauskertoimet, jotka eivät täysin päde yksittäisille muuntajille. Tämän lisäksi paperieristyksen kosteus vaikuttaa vain vähän tuloksiin. On mah-dotonta kertoa johtuuko tan deltan kasvu kosteudesta paperieristeen kosteudesta vai öljyn konduktanssista. (Megger 2019)
Tan delta -/tehokerroinmittausta varten löytyy standardi IEEE 62-1995. Standardissa on määritelty arvot uudelle, normaalitilanteessa olevalle ja ikääntyneelle muuntajalle. Uuden muuntajan kosteus 0,3 %, normaalitilanteessa olevan muuntajan kosteus 0,5 % ja ikäänty-neen muuntajan kosteus 1 %. Ikääntynyttä muuntajaa täytyy kuitenkin tutkia tarkemmin var-mistaakseen sen jännitelujuuden mittausepävarmuustekijöistä johtuen. (IEEE 1995; Megger 2019)
3.6 Taajuusvastemittaus
Taajuusvastemittaus tehdään mittaamalla avoimen piirin impedanssi ja oikosulkuimpedanssi laajalla taajuusskaalalla. Taajuusvaste saadaan desibeleinä. Taajuusvastemittauksella löyde-tään viat käämeissä, sydämessä ja muut sähkömekaaniset viat. Käämeistä voidaan löytää muodonmuutoksia, siirtymiä sekä kierrossuhteiden muutoksia. Sydämestä voidaan löytää maadoitus- ja eristevikoja. Sähkömekaanisista vioista lukitusrakenteet sekä sähköiset yh-teysongelmat jännitelähteen ja kuorman välillä ovat löydettävissä. (Megger 2019)
Impedanssia ja siirtofunktiota voidaan vertailla muuntajan ikääntyessä, mikäli taajuusvaste on mitattu sitä valmistettaessa. Kuva 3.4 havainnollistaa sitä, kuinka mahdotonta on lukea taajuusvastemittausten tuloksia ilman vertailua. Kuvassa sinisen käyrän sydän on maadoi-tettu, mutta punaisen käyrän sydän ei. Mittauksia koskevia standardeja ovat mm.
IEC 60076-18 ja IEEE PC57.149.D9. Yhteenvetona näistä voidaan kuitenkin todeta taajuus-vastemittauksen osalta, että mikäli muuntajan taajuusvaste on ± 1 dB -100 dB:n testillä, lä-päisee se kaikki taajuusvastemittausta koskevat standardit. (Megger 2019)
Kuva 3.4: Kuvassa taajuusvasteet, kun sydän on maadoitettu (sininen käyrä) ja kun se ei ole maadoitettu (pu-nainen käyrä). (Megger 2019)
3.7 Osittaispurkausmittaus
Osittaispurkausmittauksia voidaan tehdä niin muuntajan ollessa verkossa kiinni kuin ver-kosta irrotettuna. Verver-kosta irrottamalla saadaan tarkemmat arvot, mutta tämä tapa vaatii aina käyttökeskeytyksen toisin kuin verkossa kiinni olevan muuntajan mittaus. Verkossa kiinni olevan muuntajan mittauksessa haasteena on huomata yksittäisen vian ilmeneminen. Kui-tenkin vertailemalla arvoja referenssiarvoihin, on pienienkin vikojen löytäminen mahdol-lista. Osittaispurkauksia verkossa kiinni olevasta muuntajasta voidaan mitata RF (Radio Fre-quency)- ja UHF (Ultra High FreFre-quency)-menetelmällä tai akustisella osittaispurkausmit-tauksella. Verkosta irroitetusta muuntajasta sen sijaan DAC (Damped Alternating
Current)-mittauksella tai VLF (Very Low Frequency)-Current)-mittauksella. (Mönkkönen 2018; Pakonen ym.
2018)
RF- ja UHF-menetelmä perustuu osittaispurkauksista syntyviin radiotaajuisiin signaaleihin.
RF- ja UHF-menetelmät perustuvat samaan mittausmenetelmään, mutta RF-menetelmää käytetään vain alle 1 GHz:n alueella, kun sen sijaan UHF-menetelmää voidaan käyttää 0,3-3 GHz:n taajuusalueella. Radiotaajuisiin signaaleihin perustuva mittaus ei vaadi kytkentöjä vaan se suoritetaan antennien avulla. (Aro ym. 2015)
Akustinen osittaispurkausmittaus perustuu siihen, että osittaispurkaus aiheuttaa sähkömag-neettisten signaalien lisäksi ääntä. Korkeataajuinen ääni vaimenee, absorboituu sekä heijas-tuu rakenteista. Akustinen osittaispurkausmittaus suoritetaan vastaavalla tavalla kuin RF- ja UHF-menetelmä eli kytkentöjä ei vaadita vaan se suoritetaan anturien avulla. Akustisessa osittaispurkausmittauksessa otetaan huomioon laitteen tyypillinen osittaispurkaustaajuus, sillä anturityypin oikealla valinnalla saadaan parempia tuloksia. (Aro ym. 2015)
menetelmä perustuu osittaispurkauksesta syntyviin virta- ja jännitepulsseihin. DAC-menetelmässä syötetään ensin tasajännitettä, joka puretaan kelan läpi. Jännitteen purkautu-essa resonanssipiiri aiheuttaa vaimenevan värähtelyn. Testijännitteen purkautupurkautu-essa voidaan havaita osittaispurkaukset nimenomaan syntyvinä virta- ja jännitepulsseina. (Pakonen ym.
2018)
VLF-mittaus perustuu DAC-menetelmän tapaan osittaispurkauksen aiheuttavien virta- ja jännitepulssien havaitsemiseen. Erona on kuitenkin testijännite. VLF-menetelmässä syöte-tään tasaista pienitaajuista (yleensä 0,1 Hz) vaihtojännitettä. (Pakonen ym. 2018)
Sähköverkossa kiinni olevan muuntajan mittaaminen voi olla käytännöllisempää ja edulli-sempaa verkkoyhtiöille, sillä näin vältytään muuntajan verkosta irrottautumisesta aiheutu-vilta kuluilta. Kuvassa 3.5 on esitetty, kuinka osittaispurkausmittaus voidaan käytännössä toteuttaa, kun muuntaja on kiinni verkossa.
Kuva 3.5: Osittaispurkausten mittaaminen käytännössä Megger PD Scanilla. (Megger 2020)
Kuvassa 3.5 on kuvattuna osittaispurkausmittauksen käytännön menetelmä. Kuvasta huo-mataan, ettei erillisiä kytkentöjä tai verkosta irroittamista jouduta tekemään vaan muuntaja on mittauksen aikana toiminnassa.